Wprowadzenie do projektowania zasilania na poziomie kontrolera domeny High Pass: Projektowanie i obliczanie zasilania

Szybki rozwój przemysłu pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii doprowadził do gwałtownego wzrostu każdego łańcucha dostaw, inteligentnych funkcji samochodowych oraz kierunku jazdy autonomicznej, które stały się najważniejszymi rdzennymi kompetencjami pojazdów elektrycznych. Wysoko zintegrowany centralny komputer oraz kontroler domeny napotykają nowe wyzwania i możliwości, szczególnie w zakresie niezawodności zasilaczy impulsowych DC-DC, dużej mocy, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), wysokiej sprawności oraz opłacalności.

Qualcomm jako dostawca kontrolera domeny kokpitu inteligentnego, SA8155 oraz SA8295 zajmuje ważne miejsce, zasilanie na poziomie SOC centralnej kontroli domeny (zasilanie przekształcone z wejścia akumulatora na poziomie 1) prąd chwilowy, stabilny prąd pracy, sprawność w stanie oczekiwania, koszt, sprzeczność pomiędzy projektowaniem EMC a zasilaczem impulsowym stała się ogromnym wyzwaniem dla projektowania zasilaczy typu BUCK. Jak rozwiązać i zbilansować te sprzeczności to kierunek technologiczny architektury zasilacza impulsowego, układu scalonego zasilania, dławika, tranzystora Mosfet, kondensatora razem.

W artykule tym połączono projektowanie zasilania centralnej domeny samochodowej na poziomie 1 z dużym dynamicznym prądem przełączania zasilacza impulsowego (100-300%), aby omówić projektowanie zasilacza impulsowego DC-DC, w tym metody projektowania takie jak dobór układu zasilania, cewek indukcyjnych, kondensatorów; biorąc pod uwagę objętość, koszt, sprawność oraz wyzwania związane z osiągami, omówiono również badania i praktyczne wdrożenie projektu.

W tej pracy omówiono i zrealizowano rzeczywisty projekt jednostopniowego zasilacza impulsowego typu BUCK na przykładzie kontrolera domenowego Qualcomm SA8295.

Cykl ten zawiera trzy serie (w przyszłości będzie aktualizowany):

01- Odkodowanie projektu zasilania na poziomie 1 kontrolera domenowego Qualcomm Automotive: Projekt i obliczenia zasilania (ten rozdział)

02- Upraszczenie projektu zasilania poziomu 1 kontrolera domenowego Qualcomm Automotive: Projekt schematu i projekt PCB

03- Analiza projektu zasilania poziomu 1 kontrolera domenowego Qualcomm Automotive: Pomiar i analiza testów wydajności

1- Cele i wyzwania projektowe

1.1 Wymagania dotyczące prądu chwilowego SA8295

Tabela 1: Wymagania projektowe zasilania SA8295

1.2 Wymagania dotyczące prądu oczekiwania SA8295

Pobór mocy w trybie oczekiwania układu scalonego Qualcomm 3,3 V wynosi od 4 do 7,5 mA (łącznie z poborem mocy przez samorefresh pamięci), obsługuje budzenie z trybu oczekiwania.

Centralny mózg (kontroler domeny kokpitu) - całkowity budżet prądowy całego pojazdu to 7-10 mA (13,5 V), sam moduł 4G/5G zużywa 4-5 mA, prąd układu Qualcomm SA8295 przy 13,5 V wynosi poniżej 3 mA (40 mW).

1.3 Trzy wyzwania

1.3.1 Wyzwanie 1: Wyjście prądu zasilania impulsowego kontrolera domeny Qualcomm SA8295

Duży prąd przejściowy, 3,3 V, 18 A (0,1 ms), 0,1 ms dla zasilacza impulsowego DC-DC już należy do długotrwałego stanu ustalonego, wymagającego projektowania zasilacza typu Buck według stabilnego wyjścia 18 A.

1.3.2 Wyzwania związane z wysokim prądem dynamicznym zasilacza impulsowego SA8295 sterowanego przez Qualcomma – część 2:

Stały prąd pracy kontrolera domenowego SA8295 firmy Qualcomm wynoszący 5–9 A powoduje, że indukcyjność zasilacza impulsowego (indukcyjność i wielkość prądu są odwrotnie proporcjonalne) wskutek różnicy przekraczającej 300% w zakresie stabilnego prądu roboczego prowadzi do większych rozmiarów, kosztów oraz częstotliwości, co stwarza znaczne kontradyktoryczne problemy.

1.3.3 Wyzwania związane z mikrozapotrzebową sprawnością zasilacza impulsowego SA8295 sterowanego przez Qualcomma – część 3:

Pobór mocy w trybie oczekiwania, konieczność zapewnienia sprawności 70% przy napięciu 13,5 V i prądzie 3 mA, co stanowi ogromne wyzwanie również pod względem architektury kontrolera mocy i projektowania doboru dławika.

Ten projekt bazuje na projekcie najbardziej wymagającego zasilacza jednostopniowego SA8295, aby zbadać kluczowe trudności związane z technologią zasilania impulsowego i rozwiązaniami technologicznymi DC-DC.

2- Porównanie wyboru rozwiązań

2.1 Wymagania techniczne dotyczące zasilania kontrolera domeny Qualcomm SA8295

Jak pokazano w tabeli 2:

Tabela 2: Wymagania specyfikacji projektowej zasilania Qualcomm SA8295

2.2 Projekt rozwiązania i informacje techniczne

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 oraz LM25149-Q1 spełniają wymagania projektowe. W tym projekcie do zaprojektowania zasilania pierwszego stopnia dla kontrolera domeny centralnego mózgu wybrano LM25149-Q1.

2.2.1 Oficjalna strona LM25149-Q1:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

Tabela 3: Odniesienia projektowe LM25149-Q1

2.2.2 Karta katalogowa LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V Motoryzacyjny kontroler synchronicznego obniżającego przetwornika DC/DC z ultra niskim IQ i zintegrowanym aktywnym filtrem EMI (Rev. B)

2.2.3 Płytka rozwojowa LM25149-Q1:

Podręcznik użytkownika zestawu ewaluacyjnego LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Stabilność i wydajność filtra aktywnego:

Jak zagwarantować stabilność i wydajność aktywnych filtrów EMI (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Narzędzia projektowe :

Kalkulator LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- Projektowanie i obliczanie zasilacza typu Synchronous BUCK

3.1 Główne specyfikacje i parametry projektowe LM25149

Tabela 4: Wymagania specyfikacji projektowej zasilania Qualcomm SA8295

Wydajność

Aktywne filtry EMI

Testowanie EMI

Schemat projektu referencyjnego

Płytka ewaluacyjna rozwiązania projektu referencyjnego

3.2 LM25149 Obliczenia doboru indukcyjności w przekształtniku synchronicznym typu BUCK

3.2.1 Wzór obliczeniowy dla zasilacza impulsowego synchronicznego typu BUCK:

Tabela 5: Równania projektowe dla zasilacza synchronicznego typu BUCK

3.4 Obliczenie minimalnej indukcyjności

(Wzory znajdują się w Tabeli 5.)

Tabela 6: Wykres obliczeniowy minimalnej indukcyjności (∆I=0,3)

Tabela 7: Obliczenie minimalnej indukcyjności

3.4.1 Podsumowanie danych do obliczenia indukcyjności:

① Jeśli projekt obejmuje zakres 6-20A (AI=0,3 obliczenie), napięcie wejściowe 16V, prąd wyjściowy 6A, indukcyjność ≥ 0,69μH.

② Teoretyczne obliczenie minimalnej indukcyjności zasilacza impulsowego Lmin: ≥ 0,69μH (teoretycznie);

③ Biorąc pod uwagę rzeczywisty dobór projektu oraz tolerancję indukcyjności ±20%, najlepszym rozwiązaniem projektowym jest wybór 0,82μH i 1,0μH (wartość indukcyjności rośnie, objętość cewki rośnie, koszt rośnie, SRF maleje).

3.5 Obliczenia prądu cewki

(Wzór: zobacz tabela 1 i 2 z tabeli 5)

Tabela 8: Obliczenie prądu cewki 0,82μH

Tabela 9: Obliczenie prądu cewki 1,0μH

3.5.1 Teoretycznie obliczony prąd nasycenia cewki ≥ 20,76A, zaokrąglony do 21A:

Tabela 10: Wskaźniki indukcyjności

4- Dobór indukcyjności zasilacza impulsowego

Tabela 11: Dobór cewki indukcyjnej

4.1 Obliczanie rezystancji pomiarowej prądu cewki w impulsowym zasilaczu LM25149

Tabela 12: Teoretyczne obliczenie rezystancji pomiarowej prądu cewki

Tabela 13: Dobór rezystora pomiarowego indukcyjności

4.2 Obliczanie pojemności wyjściowej kondensatora w synchronicznym przekształtniku BUCK

(Obliczanie pojemności wyjściowej: zobacz wzór w Tabeli 5)

Tabela 14: Obliczanie pojemności wyjściowej kondensatora w synchronicznym przekształtniku BUCK

W projektowaniu synchronicznego zasilacza impulsowego typu BUCK występuje sprzeczność pomiędzy parametrami kondensatorów wejściowych i wyjściowych, a mianowicie: pojemnością, objętością i kosztem. Indeksy specyfikacji pojemności są sprawdzane w określonych warunkach. Różnice w sprzęcie pomiarowym podczas procesu testowania mogą powodować odchylenia wynoszące 10–50% dla tych samych wskaźników. Ostateczną weryfikację osiągów projektu należy przeprowadzić w trakcie jego debugowania oraz badań praktycznych (nie ma optymalnego rozwiązania projektowego, istnieją jedynie rozwiązania odpowiednie do konkretnych scenariuszy) (Nie ma idealnego projektu – można jedynie wybrać ten, który najlepiej pasuje do danego przypadku użycia).

Kondensatory przełączające muszą spełniać następujące wymagania: pojemność ≥ 320μF (wymagania dotyczące przekroczenia), pojemność kondensatora ceramicznego większa niż 2,435μF (nie jest to warunek kluczowy, ale warto go spełnić)

Tabela 15: Zalecane modele kondensatorów filtrujących na wyjście zasilacza impulsowego

Tabela 16: Projektowanie kondensatora filtrującego na wyjście zasilacza impulsowego

4.3 Obliczanie pojemności wejściowej zasilacza LM25149

4.3.1 Obliczenia pojemności wejściowej

Tabela 17: Obliczenia pojemności filtra wejściowego zasilacza impulsowego

Tabela 18: Dobór filtra wyjściowego zasilacza impulsowego

4.4 Obliczenia doboru tranzystorów Mosfet LM25149

4.4.1 Obliczenia tranzystorów Mosfet

Karta katalogowa LM25149 nie zawiera zbyt wielu obliczeń i obliczeń doboru, obliczenia QG oraz dobór na podstawie szacunków empirycznych wstecz, wyniki obliczeń wybierają Vgs 4,5-5,0 V, ≤ 22 nC, proces obliczeniowy odnosi się do poniższej tabeli, wybiera się plateau Millera dla 2-3 V (dozwolone jest również bliskie 3 V), Rdson dobiera się ≤ 8 mΩ.

Tabela 19: Dobór i obliczenia tranzystorów Mosfet

4.5 Zalecenia dotyczące doboru tranzystorów Mosfet

Tabela 20: Modele doboru tranzystorów Mosfet

4.6 Obliczenia FB i kompensacji LM25149

Tabela 21: Obliczenia FB i kompensacji

4.7 Obliczenia projektowe EMC LM25149

Bez nadmiernego analizowania, prosimy odnieść się do specyfikacji.

5- Podsumowanie projektu

5.1 Podsumowanie wyboru projektu zasilacza LM25149BUCK

Tabela 22: Projekt i wybór

5.2 Podsumowanie programu

Wydajność i sprawność synchronicznego zasilania impulsowego zależy od wielu czynników, należy uwzględnić rzeczywiste warunki oraz wskaźniki działania. Rozdział ten zawiera obliczenia teoretyczne oraz wskazówki projektowe dla praktycznych realizacji. Wydajność i parametry projektowe są ściśle powiązane z właściwościami elementów składowych, warunkami użytkowania, rozmieszczeniem układu itp., dlatego wymagają starannego testowania i weryfikacji.

Projekt zasilania impulsowego typu synchronous buck dla kontrolera domeny o wysokiej przepustowości stanowi trudne pole techniczne w projektowaniu kontrolerów, konieczne jest osiągnięcie równowagi pomiędzy wydajnością, objętością a kosztami. Kodak Ka focus on rozwija niezależnie opracowanie i projekt induktorów. CSEB0660-1R0M nadaje się do rozwoju i zastosowań na platformie o wysokiej przepustowości, cechuje się wysoką efektywnością cenową, dużą odpornością na prąd nasycenia, niskim wydzielaniem ciepła oraz innymi technicznymi zaletami, zapewniając wysokiej klasy stosunek mocy do objętości. Kodak Ka focus on skupia się na badaniach i rozwoju technologii, innowacjach technologicznych oraz tworzeniu wysokiej jakości produktów dla branży induktorów, wspomagając rozwój i zastosowanie produktów elektronicznych.